一种反击式水轮机及其活动导叶及其补气孔设计方法技术

本发明专利技术公开了一种反击式水轮机活动导叶的补气孔设计方法，及反击式水轮机及其活动导叶，其中补气孔设计方法包括：对水轮机的活动导叶和转轮建立全模拟的数学模型；对建立的活动导叶和转轮的数学模型分别进行网格划分；将划分好的活动导叶和转轮的网格导入流体力学计算软件，得到求解域的流动特性的计算结果；对计算结果进行压力分布分析，从而确定活动导叶尾部补气孔位置；结合对计算结果的分析，初步设定补气孔的尺寸，模拟补气孔减蚀效果，得到补气孔尺寸。经过经验公式总结，可以更加精确地控制补气孔掺气浓度，从而有效地减少反击式水轮机转轮内部的空蚀破坏程度。解决了水轮机防空蚀补气结构设计不合理，加工困难、防空蚀效果差的问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及水电设备
，更具体地说，涉及一种反击式水轮机活动导叶的补气孔设计方法，还涉及一种反击式水轮机的活动导叶，还涉及一种反击式水轮机。
技术介绍
水力发电是指水流通过水轮机，把自身的势能和动能转化为旋转机械能，带动发电机旋转，从而将水能转化为电能，其中反击式水轮机是目前应用最为广泛的水轮机，主要包括了混流式水轮机与轴流式水轮机两种类型。而水轮机的转轮是能量转换的主要部件，当转轮叶片上某一点压力下降到当时液体温度下的汽化压力时，将在叶片上产生翼型空化和空蚀，这是水轮机的主要破坏形式，其后果主要是引起水轮机水力性能参数恶化、机械振动和噪音，进而影响水轮机的安全运行。轴流式水轮机转轮的翼型空蚀主要发生在叶片背面下部出水边部位；混流式水轮机转轮的翼型空蚀破坏主要位于转轮叶片背面靠近下环出水边的下半部，这种现象使得水轮机检修周期缩短，从而导致水力发电机组整体性能的下降。目前，存在一些通过向水轮机运行过程中注入气体的方法以便将空蚀的现象减弱延长水轮机叶片等部位的使用寿命，然而专利技术人发现市面上的此类设计在实施上还存在一些问题，主要表现在：首先，大多设计仅能对活动导叶进行保护，应用范围单一；此外考虑到活动导叶的结构尺寸问题，某些通过设置多个补气孔实现补气的设计方案，存在工艺复杂，加工难度大的问题。其次，仅凭经验设置充气补气的位置，设计盲目程度较大，空化区域的位置判断不准确，减弱空蚀的效果较差；水轮机的结构多样，现有设计基本只能针对某一种水轮机见效，适用性差应用范围狭窄；补气操作较为粗放，难以准确控制补气中的各项指标对空蚀严重的目标区域进行专门的补气。综上所述，如何有效地解决现有的反击式水轮机防空蚀补气结构设计不合理，造成加工困难，防空蚀效果差等技术问题，是目前本领域技术人员急需解决的问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的第一个目的在于提供一种反击式水轮机活动导叶的补气孔设计方法，该补气孔设计方法可以有效地解决现有的反击式水轮机防空蚀补气结构设计不合理，造成加工困难，防空蚀效果差等技术问题，本专利技术的第二个目的是提供一种采用上述补气孔设计方法的设计的反击式水轮机的活动导叶，本专利技术的第三个目的是提供一种包括上述反击式水轮机的活动导叶的反击式水轮机。为了达到上述第一个目的，本专利技术提供如下技术方案：一种反击式水轮机活动导叶的补气孔设计方法，包括：步骤一：对水轮机的活动导叶和转轮建立全模拟的数学模型；步骤二：对建立的活动导叶和转轮的数学模型分别进行网格划分，网格划分时采用块结构化网格；步骤三：将划分好的活动导叶和转轮的网格导入流体力学计算软件，设置计算域的计算方程、边界条件和相关计算参数，采用有限体积法求解流动方程，得到求解域的流动特性的计算结果；步骤四：对所述计算结果进行压力分布分析，确定所述反击式水轮机转轮内部空化区域及经过活动导叶到该转轮空化区域的流线，结合空化区域位置及流线分析反求，从而确定活动导叶尾部所述补气孔垂直方向上距离活动导叶底边的高度；步骤五：结合对所述计算结果的分析，初步设定所述补气孔的尺寸，并利用所述流体动力学计算软件对确定的所述补气孔的位置及尺寸的设计进行模拟，得到模拟结果；步骤六：判断所述模拟结果是否达到减少空化破化的预期效果，如果是，则记录有关所述补气孔的相关参数结束；如果不能，则对所述补气孔的尺寸修改，重新进行如步骤五的模拟，直到获得预期效果并记录有关所述补气孔的相关参数结束。优选的，上述补气孔设计方法中，所述步骤三中的计算方程包括：混合流体相方程，其中，ρ为空泡相和水流相形成的混合流体质量密度，ν为混合流体的速度矢量；空泡相方程，其中，f为空泡相的质量组分，Re为水蒸气的生成率，Rc为水蒸气的凝结率；动量方程，其中，p为静压力，μ为分子黏性系数，μt为湍流黏性系数；其中，优选的，上述补气孔设计方法中，所述步骤三中的边界条件包括：进口边界条件，给定所述进口处的绝对速度，所述绝对速度由所述水轮机的设计工况确定，压力在进口截面上设定为均匀分布；出口边界条件，出口处速度由上游网格点的速度推导得出，并根据质量守恒定律按比例修正，出口处除所述出口处速度的其他相关量取上游一层网格点的值；固壁边界条件，固壁上速度满足无滑移条件，压力取为第二类边界条件，湍流壁面采用壁面函数边界条件；气泡相边界条件，空泡相进口速度取第一类边界条件，出口速度取第二类边界条件，在壁面上空泡速度沿法向梯度为零，空蚀计算初始流场的空泡体积组分赋为零。优选的，上述补气孔设计方法中，所述步骤三中的相关计算参数包括：计算步长取0.005，收敛残值取0.00005。优选的，上述补气孔设计方法中，所述步骤五中初步设定所述补气孔的尺寸包括：初步计算得到所述补气孔的孔径d2，其中，P1为补气压力，P2是活动导叶下部的补气孔所在位置的液面静压，d2是活动导叶下部的补气孔直径，C为掺气浓度，Qa为气体流量，Qw为水流量，K是流出系数，ρ是介质密度，ε是介质的膨胀系数；其中，P1、d1为给定值，Qw、P2均可使用仪器测得；其中，掺气浓度C与流量的关系为，当掺气浓度以得到一缕气泡为准时，C可视为已知，从而得到Qa的值。本专利技术提供的反击式水轮机活动导叶的补气孔设计方法，包括：步骤一：对水轮机的活动导叶和转轮建立全模拟的数学模型；步骤二：对建立的活动导叶和转轮的数学模型分别进行网格划分，网格划分时采用块结构化网格；步骤三：将划分好的活动导叶和转轮的网格导入流体力学计算软件，设置计算域的计算方程、边界条件和相关计算参数，采用有限体积法求解流动方程，得到求解域的流动特性的计算结果；步骤四：对所述计算结果进行压力分布分析，确定所述反击式水轮机转轮内部空化区域及经过活动导叶到该转轮空化区域的流线，结合空化区域位置及流线分析反求，从而确定活动导叶尾部所述补气孔垂直方向上距离活动导叶底边的高度；步骤五：结合对所述计算结果的分析，初步设定所述补气孔的尺寸，并利用所述流体动力学计算软件对确定的所述补气孔的位置及尺寸的设计进行模拟，得到模拟结果；步骤六：判断所述模拟结果是否达到减少空化破化的预期效果，如果是，则记录有关所述补气孔的相关参数结束；如果不能，则对所述补气孔的尺寸修改，重新进行如步骤五的模拟，直到获得预期效果并记录有关所述补气孔的相关参数结束。采用本专利技术提供的这种补气孔设计方法，首先，利用流体力学计算软件进行计算并通过计算结果进行数值模拟分析，准确预测反击式水轮机叶轮内的空化区域位置，不仅解决了现有技术仅凭经验设计补气结构，目标空化区域位置确定的精度不高的问题，而且解决了现有技术目标范围相对单一的问题，只需采用本方法建立不同的模型进行运算分析即可得到不同种类的水轮机的具体补气设计；其次，本专利技术利用“掺气减蚀”原理，通过仅在活动导叶尾部打一个补气孔，并通过其进行补气，结构简单，易操作。最后，经过归纳的经验公式，可得到准确的补气压差，可以更加精确地控制补气孔掺气浓度，从而有效地减少反击式水轮机转轮内部的空蚀破坏程度。综上所述，本专利技术提供的技术方案能够有效地解决现有的反击式水轮机防空蚀补气结构设计不合理，造成加工困难，防空蚀效果差等技术问题。为了达到上述第二个目的，本专利技术还提供了一种反击式水轮机的活动导叶，该活动导叶设置有补气孔和对所述补气孔供气的进气孔，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种反击式水轮机活动导叶的补气孔设计方法，其特征在于，包括：步骤一：对水轮机的活动导叶和转轮建立全模拟的数学模型；步骤二：对建立的活动导叶和转轮的数学模型分别进行网格划分，网格划分时采用块结构化网格；步骤三：将划分好的活动导叶和转轮的网格导入流体力学计算软件，设置计算域的计算方程、边界条件和相关计算参数，采用有限体积法求解流动方程，得到求解域的流动特性的计算结果；步骤四：对所述计算结果进行压力分布分析，确定所述反击式水轮机转轮内部空化区域及经过活动导叶到该转轮空化区域的流线，结合空化区域位置及流线分析反求，从而确定活动导叶尾部所述补气孔垂直方向上距离活动导叶底边的高度；步骤五：结合对所述计算结果的分析，初步设定所述补气孔的尺寸，并利用所述流体动力学计算软件对确定的所述补气孔的位置及尺寸的设计进行模拟，得到模拟结果；步骤六：判断所述模拟结果是否达到减少空化破化的预期效果，如果是，则记录有关所述补气孔的相关参数结束；如果不能，则对所述补气孔的尺寸修改，重新进行如步骤五的模拟，直到获得预期效果并记录有关所述补气孔的相关参数结束。

【技术特征摘要】
1.一种反击式水轮机活动导叶的补气孔设计方法，其特征在于，包括：步骤一：对水轮机的活动导叶和转轮建立全模拟的数学模型；步骤二：对建立的活动导叶和转轮的数学模型分别进行网格划分，网格划分时采用块结构化网格；步骤三：将划分好的活动导叶和转轮的网格导入流体力学计算软件，设置计算域的计算方程、边界条件和相关计算参数，采用有限体积法求解流动方程，得到求解域的流动特性的计算结果；步骤四：对所述计算结果进行压力分布分析，确定所述反击式水轮机转轮内部空化区域及经过活动导叶到该转轮空化区域的流线，结合空化区域位置及流线分析反求，从而确定活动导叶尾部所述补气孔垂直方向上距离活动导叶底边的高度；步骤五：结合对所述计算结果的分析，初步设定所述补气孔的尺寸，并利用所述流体动力学计算软件对确定的所述补气孔的位置及尺寸的设计进行模拟，得到模拟结果；步骤六：判断所述模拟结果是否达到减少空化破化的预期效果，如果是，则记录有关所述补气孔的相关参数结束；如果不能，则对所述补气孔的尺寸修改，重新进行如步骤五的模拟，直到获得预期效果并记录有关所述补气孔的相关参数结束。2.根据权利要求1所述的补气孔设计方法，其特征在于，所述步骤三中的计算方程包括：混合流体相方程，其中，ρ为空泡相和水流相形成的混合流体质量密度，ν为混合流体的速度矢量；空泡相方程，其中，f为空泡相的质量组分，Re为水蒸气的生成率，Rc为水蒸气的凝结率；动量方程，其中，p为静压力，μ为分子黏性系数，μt为湍流黏性系数；其中，3.根据权利要求2所述的补气孔设计方法，其特征在于，所述步骤三中的边界条件包括：进口边界条件，给定所述进口处的绝对速度，所述绝对速度由所述水轮机的设计工况确定，压力在进口截面上设定为均匀分布；出口边界条件，出口处速度由上游网格点的速度推导得出，并根据质量守恒定律按比例修...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾永忠，刘小兵，宋占宽，佘瑶，
申请(专利权)人：西华大学，
类型：发明
国别省市：四川;51